基于遙感信息的植被變化對(duì)岱海湖面積的影響

劉 凱，孫 麗，張志成，張 鵬，劉金善，張存霞

（1.烏蘭察布市農(nóng)林科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地利用遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100121；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100121；4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

湖泊不僅是人類的寶貴水資源，也是地球濕地景觀的重要組成部分，是全球水文循環(huán)不可或缺的一部分[1]。岱海作為內(nèi)蒙古三大內(nèi)陸湖之一，是干旱、半干旱地區(qū)的重要水源，也是調(diào)節(jié)區(qū)域氣候的重要濕地生態(tài)系統(tǒng)。近幾十年來(lái)受氣候因素和人為因素的雙重影響，包括岱海湖在內(nèi)，很多地區(qū)的內(nèi)陸湖泊面積顯著減少[2]，流域區(qū)域的環(huán)境惡化加劇。1937—1963年，學(xué)者們研究岱海湖情況時(shí)，影響因素為氣候因素的居多[3-4]。但1986—2017年的研究結(jié)果表明，人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)是岱海湖面面積變化的主要因素[5-10]，而社會(huì)因素中農(nóng)作物播種面積和人口變化對(duì)岱海湖的面積和水位影響較大[11]，主要表現(xiàn)在灌溉用水的增加。湖面重心作為描述湖泊空間特征的重要指標(biāo)，利用重心轉(zhuǎn)移分析能夠直觀反映特定時(shí)間尺度下，要素的空間變化特征，結(jié)合同期植被變化分析，可進(jìn)一步探索人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)湖泊面積的影響。以往研究在探索影響岱海湖面面積縮減的氣象因素和社會(huì)因素方面取得了一定成果，研究結(jié)果也為該地區(qū)湖泊保護(hù)提供了重要參考，并起到了積極作用。但對(duì)主要因素（如人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)）具體作用的方式和范圍研究還少有涉及。本研究在以往大量相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，基于遙感數(shù)據(jù)，利用重心轉(zhuǎn)移分析、土地類型轉(zhuǎn)移矩陣、相關(guān)性分析等方法，以受人類和自然因素影響導(dǎo)致的植被覆蓋變化情況為載體，探索了流域內(nèi)主要土地覆蓋類型和不同環(huán)湖區(qū)域內(nèi)土地覆蓋類型對(duì)岱海湖面積變化的影響，以期為岱海保護(hù)區(qū)范圍劃定和相關(guān)湖泊研究提供借鑒。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

研究對(duì)象為內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣境內(nèi)的岱海湖，研究區(qū)域?yàn)獒泛：饕Я餍纬傻牧饔颍乩碜鴺?biāo)為北緯40.183 3°～40.800 0°，東經(jīng)112.266 7°～122.983 3°，流域內(nèi)柵格總面積約3 411.00 km2。湖周圍地形特點(diǎn)呈北陡南緩，北靠蠻漢山，東鄰豐鎮(zhèn)丘陵，南接馬頭山丘陵，西側(cè)分布著間歇性入湖河流。湖泊面積東西長(zhǎng)約25 km，南北寬約20 km，面積近年來(lái)保持在50 km2左右，是國(guó)家濕地保護(hù)行動(dòng)中重要濕地之一，同時(shí)也是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要濕地保護(hù)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用1990—2020年的Landsat TM和OLI系列遙感影像作為研究區(qū)湖泊面積提取的主要數(shù)據(jù)源（表1）。所選7期影像數(shù)據(jù)采集時(shí)間均為每年8—9月，以減少季節(jié)差異帶來(lái)的誤差。在進(jìn)行湖泊面積提取分析之前，需要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和影像裁剪等預(yù)處理工作。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

選用中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院發(fā)布的全球30 m地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品作為研究區(qū)植被類型分析數(shù)據(jù)源，時(shí)間為1990—2020年，時(shí)間間隔為5年[12-14]。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品以2020年全球30 m地表精細(xì)分類產(chǎn)品（GLC_FCS30）為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并沿用GLC_FCS30分類體系，為GlobeLand30分類體系細(xì)分產(chǎn)品[15]，共包括農(nóng)田、林地、草原、灌木、濕地、稀疏植被等10個(gè)大類，由于林地和稀疏植被細(xì)分類別在研究區(qū)內(nèi)分布較為分散，數(shù)量較少，無(wú)法達(dá)到分析要求。因此，在研究過程中參照GlobeLand30體系將其進(jìn)行了合并處理。

選用ASTER GDEM 30 m空間分辨率DEM高程數(shù)據(jù)作為流域分析數(shù)據(jù)源，使用ArcMap進(jìn)行岱海流域邊界提取。

1.3 研究方法

1.3.1 湖面積提取

湖面積的提取采用NDWI和近紅外波段模型。該方法已經(jīng)通過驗(yàn)證，其提取湖面積精確度達(dá)到99%以上，可以滿足研究所需精度[16]，計(jì)算方法為

式中，針對(duì)本研究使用的數(shù)據(jù)，ρgreen為綠色波段，即Landsat OLI第三波段、TM第二波段；ρnir為近紅外波段，即Landsat OLI第五波段、TM第四波段。

式中，th1、th2為閾值。在使用大律法和迭代法進(jìn)行閾值提取時(shí)，兩種方法計(jì)算的閾值相近，但大律法的運(yùn)算效率低于迭代法，且對(duì)于噪聲敏感，對(duì)圖像質(zhì)量的相對(duì)要求較高，本研究使用迭代法進(jìn)行閾值提取。

1.3.2 重心遷移分析

重心是描述地理要素空間特征的重要指標(biāo)[17]。通過計(jì)算不同時(shí)期岱海湖面重心，能夠直觀地描述湖面的空間遷移情況。重心計(jì)算公式[18]為

式中，Xt和Yt分別為第t年水域重心的經(jīng)緯度；Sti為組成第t年水域中第i個(gè)簡(jiǎn)單圖形水域面積；xi和yi分別為第i個(gè)簡(jiǎn)單圖形水面經(jīng)緯度。重心轉(zhuǎn)移方向以0°表示正東方向，并規(guī)定逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

1.3.3 土地類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地類型轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾可夫（Markov）模型在土地利用方面的應(yīng)用。通過模型可描述土地類型面積之間的轉(zhuǎn)化狀況。本研究使用馬爾可夫模型定量分析原始植被覆蓋面積變化及向其他主要類型轉(zhuǎn)移情況。其轉(zhuǎn)移矩陣式[19]為

式中，Pij表示在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)初期某種土地類型轉(zhuǎn)為末期某種土地類型的面積。

由于本研究使用的地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品為30 m柵格數(shù)據(jù)，按土地類型轉(zhuǎn)移矩陣分析要求，需要將原數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，因而面積統(tǒng)計(jì)值在轉(zhuǎn)移矩陣中和原數(shù)據(jù)直接統(tǒng)計(jì)會(huì)存在系統(tǒng)誤差（20%～30%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 岱海湖面積年變化特征

由表2可知，1990—2020年岱海湖面積總體呈現(xiàn)縮減趨勢(shì)。1990年為110.833 0 km2，2020年為48.122 5 km2，減小62.710 5 km2。1995—2000年和2010—2015年兩個(gè)階段湖面積縮減最快，縮減面積分別為18.379 9、28.716 2 km2，變化率分別達(dá)-17.877 2%、-35.067 1%。而1990—1995年、2000—2005年、2005—2010年、2015—2020年縮減相對(duì)平緩，變化率分別為-7.237 0%、-4.020 5%、1.051 1%、-9.498 4%。

表2 岱海湖面積年變化

2.2 岱海湖面積時(shí)空變化特征

由表3可知，湖面積重心時(shí)空變化特征可以概括為2個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)期為2005年以前，為自然轉(zhuǎn)移時(shí)期，該時(shí)期主要受人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)影響，其特征為西南部水域快速縮減，重心快速向東北方向 轉(zhuǎn) 移，包 括1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年3個(gè)階段，重心分別向東北方向偏移了222.54、543.43、197.39 m；第二時(shí)期為2005年以后，為工業(yè)轉(zhuǎn)移時(shí)期，該時(shí)期湖南岸岱海電廠建成，影響冬季湖面水分蒸發(fā)[20]，使湖南岸水域開始縮減，在工業(yè)因素和人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的共同作用下，重心逐步向北偏西方遷移，該時(shí)期包括2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年3個(gè)階段，重心分別位移10.71、464.01、123.10 m。

表3 湖面重心點(diǎn)轉(zhuǎn)移情況

2.3 岱海流域內(nèi)主要土地覆蓋類型時(shí)空變化特征

將1990—2020年間7期30 m地表覆蓋精細(xì)分類數(shù)據(jù)進(jìn)行流域范圍裁剪，并應(yīng)用ArcMap進(jìn)行主要類型面積統(tǒng)計(jì)。由圖1可知，流域內(nèi)主要土地覆蓋類型為旱地、水澆地、草本覆蓋、林地、草原、稀疏植被、灌木和建設(shè)用地。其中，草原和稀疏植被面積呈下降趨勢(shì)，1990年分別為2 358.18、412.31 km2，2020年分別2 043.18、255.45 km2，與1990年相比分別減少315.00、156.86 km2。而旱地、草本覆蓋、水澆地、林地、灌木和建設(shè)用地面積呈上升趨勢(shì)，1990年分別為22.38、489.69、0、7.89、0、6.27 km2，2020年分別增加了33.86、401.20、1.15、35.42、4.86、20.57 km2。從變化速率來(lái)看，主要變化時(shí)期為1990—2000年和2010—2020年，與岱海湖面積變化趨勢(shì)相符。從時(shí)空分布來(lái)看，植被覆蓋變化主要區(qū)域?yàn)榱饔蛭髂戏较蚝蜄|北方向。2000年前后國(guó)家先后啟動(dòng)“退耕還林還草”生態(tài)修復(fù)工程，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，2000年前草原面積減少速率較快，2000年后相對(duì)平緩；林地面積由1995年的10.20 km2增加到2000年的35.58 km2。

圖1 1990—2020年流域內(nèi)土地覆蓋類型統(tǒng)計(jì)

由表4可知，從近30年土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移情況來(lái)看，1990—2020年，草原和稀疏植被的面積總體減少，草本覆蓋、水澆地、旱地、林地、灌木和建設(shè)用地的面積增加。2020年，草原保有面積為1 262.46 km2，占流域總面積37.01%，1990—2020年主要轉(zhuǎn)移為草本覆蓋364.01 km2、旱地14.12 km2、稀疏植被101.71 km2、林地26.01 km2、建設(shè)用地9.33 km2；轉(zhuǎn)入的有草本覆蓋98.00 km2、旱地0.72 km2、稀疏植被179.86 km2、林地0.73 km2；轉(zhuǎn)移的面積占流域總面積的15.17%，轉(zhuǎn)入的面積占流域總面積的8.19%，二者相較面積減少6.98%。2020年，稀疏植被保有面積為61.73 km2，占流域總面積的1.81%，1990—2020年主要轉(zhuǎn)移為草本覆蓋62.39 km2、旱地3.55 km2、草原179.86 km2；轉(zhuǎn)入的主要有草本覆蓋22.35 km2、旱地0.35 km2、草原101.71 km2、林地0.01 km2；轉(zhuǎn)移的面積占流域總面積的7.30%，轉(zhuǎn)入的面積占流域總面積的3.65%，二者相較面積減少3.65%。面積增加的主要有草本覆蓋、旱地、林地和建設(shè)用地。其中，草本覆蓋轉(zhuǎn)出136.00 km2，占流域總面積的3.99%，主要去向?yàn)椴菰?8.00 km2）和稀疏植被（22.35 km2），轉(zhuǎn)入427.65 km2，占流域總面積的12.54%，主要來(lái)源為草原（364.01 km2），二者相較面積增加8.55%；林地轉(zhuǎn)出0.80 km2，占流域總面積的0.02%，轉(zhuǎn)入27.68 km2，占流域總面積的0.81%，二者相較面積增加0.79%。按土地類型轉(zhuǎn)移矩陣分析要求，需要將地表覆蓋精細(xì)分類為30 m柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，與圖1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差。

表4 1990—2020年流域內(nèi)土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

2.4 植被覆蓋類型對(duì)水域面積的影響因素

岱海湖是內(nèi)陸封閉型湖泊，其水資源主要由天然補(bǔ)給。近年來(lái)，受社會(huì)人為因素和自然因素影響，岱海湖面積呈逐年下降趨勢(shì)[21]。為探究流域內(nèi)植被覆蓋時(shí)間變化對(duì)岱海湖泊面積的影響，將1990—2020年7期流域內(nèi)主要地表覆蓋類型面積與岱海湖面積做Pearson相關(guān)性分析（圖2）。結(jié)果表明，岱海湖面積變化與主要覆蓋類型均存在顯著相關(guān)性。其中，與旱地、草本覆蓋、水澆地、林地呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.90、-0.90、-0.93、-0.86；與草原和稀疏植被呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.82和0.80。這說明旱地、草本覆蓋、水澆地和林地對(duì)岱海湖面積縮減影響較大，而在GlobeLand 30 Level 0分類體系中，前三類土地覆蓋類型均屬于農(nóng)田范疇。此外，近30年流域內(nèi)主要土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣的分析結(jié)果表明（表4），2020年草本覆蓋、旱地、水澆地、林地面積主要由草原轉(zhuǎn)化而來(lái)，由草原轉(zhuǎn)化的草本覆蓋占新增比例達(dá)85.12%、旱地為51.28%、水澆地為62.82%。雖然草原轉(zhuǎn)化林地面積占新增林地比為93.97%，但面積與前三種類型總和相比較小，對(duì)水域面積影響有限。因此，農(nóng)田開墾對(duì)原始草原植被的破壞是岱海湖面積縮減的主要生產(chǎn)活動(dòng)因素。

圖2 岱海湖面積與土地覆蓋相關(guān)性

2.5 植被覆蓋區(qū)域?qū)λ蛎娣e的影響

研究植被覆蓋時(shí)空變化特征對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[22]，在水域研究中也有重要價(jià)值。為探索植被覆蓋空間變化對(duì)湖面積的影響，以1990年湖面積邊界為基礎(chǔ)，結(jié)合濕地保護(hù)區(qū)規(guī)劃，在岱海湖面邊界和流域邊界之間，通過ArcMap軟件緩沖區(qū)分析，建立8個(gè)1 km寬度的環(huán)形研究區(qū)（圖3），將1990—2020年7期30 m地表覆蓋精細(xì)分類數(shù)據(jù)按研究區(qū)進(jìn)行主要土地覆蓋類型面積提取，并將提取結(jié)果與岱海湖面積做Pearson相關(guān)性分析（表5）。結(jié)果表明，在各研究區(qū)中湖面積變化與旱地、草本覆蓋、水澆地均呈顯著負(fù)相關(guān)，與草原呈顯著正相關(guān)，與流域相關(guān)性分析結(jié)果一致。其中，在0～1 km研究區(qū)內(nèi)與旱地、草本覆蓋、水澆地、草原相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為-0.95、-0.94、-0.96、0.92。林地和稀疏植被在0～1 km研究區(qū)與湖面積相關(guān)性較低，但林地在其他研究區(qū)均呈現(xiàn)較最高負(fù)相關(guān)，稀疏植被在2～3 km研究區(qū)以后呈現(xiàn)出較高的正相關(guān)。綜上所述，1 km范圍內(nèi)是農(nóng)田開墾影響岱海湖面積萎縮的主要區(qū)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)原始草原植被的破壞是岱海湖面積萎縮最為突出的影響因素。

圖3 流域內(nèi)緩沖區(qū)構(gòu)建

表5 環(huán)湖區(qū)土地覆蓋面積與岱海湖面積相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

本研究利用遙感信息，對(duì)1990—2020年岱海湖面積年際變化動(dòng)態(tài)和流域內(nèi)土地覆蓋動(dòng)態(tài)開展了相關(guān)研究。研究結(jié)論如下：

一是1990—2020年岱海湖面積總體呈下降趨勢(shì)，1990—2005年湖面重心快速向東北方向轉(zhuǎn)移，2005—2020年湖面重心逐步開始向北偏西方向遷移。流域內(nèi)主要土地覆蓋類型為旱地、草本覆蓋、水澆地、林地、草原和稀疏植被。其中，草原和稀疏植被面積呈下降趨勢(shì)，旱地、草本覆蓋、水澆地和林地面積呈上升趨勢(shì)。

二是在流域范圍內(nèi)，旱地、草本覆蓋和水澆地面積與岱海湖面積萎縮相關(guān)性最高。通過轉(zhuǎn)移矩陣分析，2020年草本覆蓋、旱地、水澆地面積的主要由草原轉(zhuǎn)化而來(lái)。農(nóng)田開墾對(duì)原始草原植被的破壞是岱海湖面積縮減的主要生產(chǎn)活動(dòng)因素。

三是岱海湖周邊1 km內(nèi)旱地、草本覆蓋、水澆地、草原面積與岱海湖面積年際變化相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別為-0.95、-0.94、-0.96、0.92。環(huán)湖1 km的生產(chǎn)活動(dòng)是影響岱海湖面積萎縮的主要區(qū)域。

本研究在前人相關(guān)研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)植被覆蓋變化及植被變化區(qū)域?qū)︶泛：娣e的影響開展了相關(guān)研究，結(jié)果在一定程度上可為湖泊濕地保護(hù)區(qū)范圍劃定提供借鑒。但研究過程中忽略了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素，而不同農(nóng)作物對(duì)水分的消耗有所不同，也是影響湖面積變化的主要因素之一。因此，后續(xù)將持續(xù)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)范圍和農(nóng)作物結(jié)構(gòu)變化對(duì)湖面面積影響的研究。